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如何进行智慧城市管理

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2015-04-21

智慧城市是把物联网、云计算等新一代信息技术充分运用在城市各行各业中的基于知识社会下一代创新的城市信息化高级形态。当前,智慧城市无疑是中国最热的词汇之一。截至2013年,我国智慧城市试点已经达到193个。可以说,智慧城市建设在中国真的是已经星火燎原。

 

但在国内智慧城市建设热潮的背后,也有一些现象和问题值得关注。例如,一些城市对智慧城市建设的定位和功能不够清晰,对基础设施、产业、应用之间的关系考虑不足,大多停留在信息技术基础设施的建设上,与以往的平安城市、数字城市等并无实质差别;一些城市对智慧城市建设的真实需求缺乏判断,特色不鲜明,缺乏足够的要素资源和支撑能力。

 

因此,在我国智慧城市建设方兴未艾背景下,如何正本清源、回归理性、强化顶层、稳步推进,是政府执政者、智慧城市开发商等亟需思考的问题。2013年10月,英国商业、创新与技术部(BIS)发布研究报告《智慧城市市场:英国的机遇》(The Smart City Market: Opportunities for the UK)从智慧能源管理、智慧水务管理、智慧交通管理、废弃物管理、辅助生活等智慧城市关键领域入手,全面阐述了上述五大领域的驱动因素、价值链、市场规模、市场和技术趋势等方面内容。可以肯定的是,英国商业、创新与技术部发布的这份智慧城市研究报告具有重要的参考价值。基于此,笔者对该研究报告进行了翻译和整理,以期为我国智慧城市建设提供借鉴和参考。

一、智慧能源管理(Smart Energy Management)

随着全球人口的不断上升以及人均能源消费的不断增加,能源管理系统的重要性也日益突出。当前,在发达国家,能源系统正面临着越来越大的维护和升级成本,以跟上能源需求和基础设施老化步伐,而在发展中国家,能源系统必须要竞相跟上爆炸的能源需求。这些因素将推动我们不断改善能源管理系统,以提高能源使用效率和弹性。在此背景下,智慧能源管理技术应运而生。智慧能源管理是一种利用数据或信息来提高能源管理效率的技术,它可以帮助电力公司和分销商更好地预测和管理电力负载,减少对昂贵基础设施的扩建需求,并提高服务质量和客户满意度。同时,消费者可受益于服务质量的显著改善、新的电力资费方案,从而减少能源消费支出。

(一)驱动因素(Drivers)

一般而言,智慧能源管理产品和服务市场的主要驱动因素包括四个方面。

 

第一,老化的基础设施(Ageing infrastructure)。当前,全球各地的中高收入国家正面临着能源基础设施老化的重大挑战。因为输变电设施的老化将不断威胁着电网的稳定性和可靠性。以美国为例,美国前能源部部长曾公开宣称,美国是一个拥有第三世界国家电网的超级大国;而英国能源与气候变化部部长则表示,英国的能源基础设施状态如此恶劣,这将花费数十亿英镑进行检修和维护。因此,对解决老化能源基础设施的需求将是智慧能源管理技术发展的重要驱动因素和市场机会。

 

第二,提高能源效率(Increasing energy efficiency)。推动能源效率改善的三个关键因素是碳排放量的减少、不断上涨的能源价格以及燃料的缺乏。当前,世界各地的工业化国家都致力于通过大量投资以提高能源使用效率。如,2009年“美国复苏与再投资法案”提供120亿美元的资金以改善美国能源使用效率。欧洲、北美和东亚等地区的国家和城市政府正在通过如下措施来推动能源效率的改善,主要包括:提出建筑能源效率标准和规范;实施排放交易计划,对能源密集型产业进行奖励和处罚;强制要求公用事业部门提高能源效率;实施大型公共和家庭部门能源改造和能源效率项目;建立创新的融资机制,鼓励能源效率改善投资,如英国的“绿色新政”;鼓励使用智能电表来提高用户的能源效率意识。

 

第三,可再生能源的发展(Growth in renewable energy)。可再生能源,例如风能和太阳能,由于其间歇式供电将对电网的稳定性和可靠性产生威胁。电网是围绕常规能源发电技术设计的,因此需要智慧管理技术,以支持可再生能源在未来的持续增长和一体化发展。

 

第四,提高弹性(Increasing resilience)。目前,从能源系统发展实际看,极有必要提高我们的能源系统弹性,以应对全球范围内环境(如极端天气)和社会经济的发展变化。

(二)价值链(Value Chain)

事实上,世界各地的能源市场(如供电、供热和制冷市场等)在本质上是不尽相同的,而能源部门的政策、法规和治理方式是各国能源市场形态变化的主要驱动力。下图展示了一个典型的能源供应链(黄色部分)视图。在能源市场尚未被完全解除管制的条件下,国有或私营公用事业部门往往可以享受自然垄断属性。以美国为例,全国有近3400家电力公司,其中约350家是私营企业。这些私营企业发电量占全美国的80%,销售额占全国的75%。而英国却拥有世界上最“放松管制”的能源市场,输电、配电、供电和零售等产业链环节由不同厂商分开运营。此外,下图还列举了智慧能源管理系统所涉及的一些关键技术,主要包括:家庭能源管理系统(HEMS)、智能家电、智能电表和先进计量基础设施(AMI)、楼宇能源管理系统(BEMS)、智能电网技术(配电自动化和配电管理系统等)、实时/动态定价基础设施、微型发电管理系统等。

 

1 一个普通的能源市场示意图


注:该能源市场示意图展示了供应链基本要素(黄色部分)和相关的智能技术(绿色部分)。更广泛的智慧能源管理理念用蓝色来显示。

资料来源:Arup Analysis。

 

2 全球智慧能源管理行业主要参与者地图

料来源:Arup Analysis。

(三)市场规模(Market Size)

研究表明,智慧能源管理市场包括范围广泛的技术、产品和服务,其市场规模是随着范围和定义的不同而显著变化的。不同的研究专家,如Pike研究公司、Markets and Markets、Zpryme研究公司等纷纷发布了对于智慧能源管理市场规模的预测数据,并存在很大差别。例如,Zpryme研究公司预计,2020年全球智能电网技术市场规模将达到2200亿美元,到2030年增长至5000亿美元。Zpryme公司的预测数据是基于对智慧能源管理全产业链的估计,包括智能电网相关设备和关键元器件、设计咨询和工程服务、基础设施开发和安装服务及相关软件等。与此相反,Pike研究公司的预测数据却显得过于保守。Pike公司报告显示,2012年全球智慧能源管理行业(不包含智慧能源管理服务,如设计、咨询、安装或维护等)保守市场规模约为21.13亿美元,而2015年则增长至36.23亿美元,到2020年则达到51.27亿美元,2012-2020年均复合增长率为12%。与此同时,Pike研究公司的董事Eric Woods指出,在智慧城市建设实践中,智慧能源管理市场的实际产业规模可能是上述保守市场规模的10-20倍。

 

1 全球智慧能源管理市场规模预测


资料来源:Pike Research Q1 2013。

(四)市场和技术趋势(Market and Technology Trends)

可以肯定的是,随着智慧城市建设的加快推进,智慧能源管理市场所有的技术子行业也将快速发展。

 

第一,智能配电网/配电管理系统。PennEnergy公司一项针对公用事业部门的全球性调查结果显示,大约有1/3的受访公用事业部门在能源网络中部署了先进的配电管理系统(DMS),另外40%的受访者计划在未来两年内部署先进配电管理系统。这种趋势在美国表现的尤为强烈。

 

第二,智能电表和先进计量基础设施。当今最先进的智能电表可以提供实时的能源使用数据、停电检测、动态定价以及供应商和家庭局域网接口的切换。欧洲在智能电表和先进计量基础设施安装方面已经领先于世界其它地区。2011-2020年,欧洲计划安装2.12亿块智能电表。随着智能电表的推广应用,可以处理实时信息的仪表数据管理系统也蓄势待发。

 

第三,智能家电。当前,全球家电市场的持续增长也为智能家电产业发展提供了重要机遇。到2017年,全球智能家电的销售规模预计会超过2400万台。但到目前为止,智能家电厂商还没有成功把握这个机遇。在一项调查中显示,普通消费者并没有表现出购买智能家电的强烈欲望,除非智能家电价格合适并能显著节约能源。

 

第四,微型发电管理系统。微型发电管理技术市场是与微型发电市场紧密联系在一起的。以英国为例,2011年6月,英国政府公布了微型发电计划,计划到2020年英国本土微型发电设备的数量增长到100-400万台之间。

 

第五,楼宇能源管理系统。当前,现有建筑物能源管理系统的调整和改善,对于大多数业主和开发商来说是过于昂贵和复杂的。因此,今后楼宇能源管理系统的发展将重点聚焦在新建楼宇上,以适应未来的工作场所设计和工作方式。

 

第六,云服务。未来智慧能源管理系统的一个重要发展趋势是基于云计算技术的服务,预计到2020年能源管理中云计算技术市场规模将达到40亿美元。

 

第七,能源即服务。能源即服务是一个新兴的市场概念,是能源公用事业的一种创新商业模式。这种商业模式意味着能源公司正从“能源供应商”(为客户提供能源)向“能源服务供应商”(为客户提供打包的高效能源解决方案)转变。例如,消费者可能由“电力公司”提供供热和制冷服务,而不是来自于其自身拥有的锅炉和空调设备。此外,“能源服务供应商”也可以为消费者提供家庭智能家电以及维护服务。简而言之,通过“能源服务供应商”的介入,消费者将不再需要支付电力或煤气费用,但需要支付供热、制冷服务费用以及洗衣机、冰箱等智能家电的使用费用。

 

第八,车辆到电网技术。随着智能电网发展规划的不断出台和电动汽车市场的不断扩大,车辆到电网技术将能更高效地管理电动汽车的充电需求,使其在电力需求低谷期间及时充电。